Миссия по возврату образцов — это миссия космического корабля по сбору и доставке образцов из внеземного места на Землю для анализа. Миссии по возврату проб могут вернуть просто атомы и молекулы или отложения сложных соединений, таких как рыхлый материал и камни. Эти образцы можно получить разными способами, например, путем раскопок почвы и камней или с помощью коллекторной решетки, используемой для улавливания частиц солнечного ветра или кометного мусора. Тем не менее, были высказаны опасения, что возвращение таких образцов на планету Земля может поставить под угрозу саму Землю. [1]
На сегодняшний день образцы лунной породы с земной Луны были собраны роботизированными миссиями и миссиями с экипажем; комету Уайлд-2 и астероиды 25143 Итокава , 162173 Рюгу и 101955 Бенну посетили автоматические космические корабли, которые доставили образцы на Землю; а образцы солнечного ветра были доставлены роботизированной миссией « Генезис» .
Помимо миссий по возврату проб, образцы трех идентифицированных внеземных тел были собраны другими способами: образцы с Луны в виде лунных метеоритов , образцы с Марса в виде марсианских метеоритов и образцы с Весты в форма метеоритов HED .
Образцы, имеющиеся на Земле, можно проанализировать в лабораториях , что позволит нам углубить наше понимание и знания в рамках открытия и исследования Солнечной системы . До сих пор многие важные научные открытия о Солнечной системе были сделаны удаленно с помощью телескопов , а некоторые тела Солнечной системы посещались орбитальными или даже приземляющимися космическими кораблями с инструментами, способными осуществлять дистанционное зондирование или анализ проб. Хотя такое исследование Солнечной системы технически проще, чем миссия по возврату образцов, имеющиеся на Земле научные инструменты для изучения таких образцов гораздо более совершенны и разнообразны, чем те, которые можно использовать на космических кораблях. Кроме того, анализ образцов на Земле позволяет отслеживать любые результаты с помощью различных инструментов, включая инструменты, которые могут отличать внутренний внеземной материал от земного загрязнения [2] и те, которые еще предстоит разработать; Напротив, космический корабль может нести лишь ограниченный набор аналитических инструментов, и их необходимо выбрать и построить задолго до запуска.
Образцы, проанализированные на Земле, можно сопоставить с результатами дистанционного зондирования, чтобы лучше понять процессы , которые сформировали Солнечную систему . Это было сделано, например, с помощью результатов космического корабля Dawn , который посетил астероид Веста с 2011 по 2012 год для получения изображений, а также образцов метеоритов HED (собранных до этого на Земле), которые сравнивались с данными, собранными Dawn. [3] Эти метеориты затем можно было бы идентифицировать как материал, выброшенный из большого ударного кратера Реасильвия на Весте. Это позволило сделать вывод о составе коры, мантии и ядра Весты. Точно так же некоторые различия в составе астероидов (и, в меньшей степени, в разном составе комет ) можно обнаружить только с помощью изображений. Однако для более точной инвентаризации материала на этих различных телах в будущем будет собрано и возвращено больше образцов, чтобы сопоставить их состав с данными, собранными с помощью телескопов и астрономической спектроскопии .
Еще одним направлением таких исследований, помимо основного состава и геологической истории различных тел Солнечной системы, является наличие строительных блоков жизни на кометах, астероидах, Марсе или спутниках газовых гигантов . В настоящее время в разработке находятся несколько миссий по возврату образцов на астероиды и кометы. Дополнительные образцы с астероидов и комет помогут определить, сформировалась ли жизнь в космосе и была ли занесена на Землю метеоритами. Еще один исследуемый вопрос заключается в том, сформировалась ли внеземная жизнь на других телах Солнечной системы, таких как Марс, или на спутниках газовых гигантов , и может ли там вообще существовать жизнь. Результатом последнего «Десятилетного исследования» НАСА было определение приоритета миссии по возврату образцов с Марса, поскольку Марс имеет особое значение: он находится сравнительно «близко», мог быть убежищем для жизни в прошлом и, возможно, даже продолжать поддерживать жизнь. Спутник Юпитера Европа является еще одним важным объектом поиска жизни в Солнечной системе. Однако из-за расстояния и других ограничений Европа может не стать целью миссии по возврату образцов в обозримом будущем.
Планетарная защита направлена на предотвращение биологического загрязнения как целевого небесного тела , так и Земли в случае миссий по возврату проб. Возвращение образца с Марса или другого места, где потенциально может существовать жизнь, является миссией категории V в рамках КОСПАР , которая направлена на сдерживание любого нестерильного образца, возвращаемого на Землю. Это потому, что неизвестно, какие последствия такая гипотетическая жизнь окажет на людей или биосферу Земли. [4] По этой причине Карл Саган и Джошуа Ледерберг в 1970-х годах утверждали, что мы должны выполнять миссии по возврату проб, классифицированные как миссии категории V, с особой осторожностью, и более поздние исследования, проведенные NRC и ESF, согласились с этим. [4] [5] [6] [7] [8]
В июле 1969 года «Аполлон-11» впервые успешно возвратил образец с другого тела Солнечной системы, вернув 22 килограмма (49 фунтов) материала с поверхности Луны. За этим последовали 34 кг (75 фунтов) материала и детали Surveyor 3 с Аполлона-12 , 42,8 кг (94 фунта) материала с Аполлона-14 , 76,7 кг (169 фунтов) материала с Аполлона-15 , 94,3 кг (208 фунтов). материала с Аполлона-16 и 110,4 кг (243 фунта) материала с Аполлона-17 . [ нужна цитата ] Программа «Аполлон» в целом вернула более 382 кг (842 фунта) лунных пород и реголита , включая лунный грунт , в Лунную приемную лабораторию в Хьюстоне . [9] [10] [11] Сегодня 75% образцов хранятся в Лунной лаборатории проб , построенной в 1979 году. [12]
В 1970 году советская роботизированная миссия «Луна-16» вернула 101 грамм (3,6 унции) лунного грунта, за ней последовали «Луна-20 » — 55 граммов (1,9 унции) в 1974 году и «Луна-24 » — 170 граммов (6,0 унций). в 1976 году. Хотя они восстановили гораздо меньше, чем миссии «Аполлон», они сделали это полностью автоматически. Помимо этих трех успехов, другие попытки по программе «Луна» потерпели неудачу. Первые две миссии должны были составить конкуренцию «Аполлону-11» и были предприняты незадолго до этого в июне и июле 1969 года. «Луна Е-8-5 № 402» потерпела неудачу при старте, а «Луна-15» разбилась на Луне. Позже другие миссии по возврату образцов потерпели неудачу: «Космос-300» и «Космос-305» в 1969 году, «Луна Е-8-5 №405» в 1970 году, «Луна Е-8-5М №412» в 1975 году имели неудачные запуски, « Луна-18» в 1971 году и «Луна-23» в 1974 году совершила неудачную посадку на Луну. [13]
В 1970 году Советский Союз планировал провести в 1975 году первую миссию по возврату образцов на Марс в рамках проекта Mars 5NM . В этой миссии планировалось использовать ракету Н1 , но эта ракета так и не полетела успешно, и миссия превратилась в проект «Марс 5М» , в котором будет использоваться двойной запуск с меньшей ракетой «Протон» и сборка на космической станции «Салют» . Эта миссия на Марс 5М была запланирована на 1979 год, но была отменена в 1977 году из-за технических проблем и сложности. [14]
В эксперименте по сбору орбитального мусора (ODC), проведенном на космической станции «Мир» в течение 18 месяцев в 1996–97 годах, использовался аэрогель для улавливания частиц с низкой околоземной орбиты, включая как межпланетную пыль, так и искусственные частицы. [15]
Следующей миссией по возвращению внеземных образцов была миссия «Генезис» , которая доставила на Землю образцы солнечного ветра из-за пределов околоземной орбиты в 2004 году. К сожалению, капсула «Генезис» не смогла раскрыть парашют при повторном входе в атмосферу Земли и совершила аварийную посадку в штате Юта. пустыня. Были опасения по поводу серьезного загрязнения или даже полной потери миссии, но ученым удалось спасти многие образцы. Они были первыми, которые были собраны за пределами лунной орбиты. В Genesis использовалась коллекторная матрица, изготовленная из пластин сверхчистого кремния , золота , сапфира и алмаза . Каждая отдельная пластина использовалась для сбора различной части солнечного ветра . [16]
За Genesis последовал космический корабль НАСА Stardust , который 15 января 2006 года доставил на Землю образцы кометы. Он благополучно пролетел мимо кометы Wild 2 и собрал образцы пыли из комы кометы, одновременно получая изображения ядра кометы. Stardust использовала коллекторную решетку из аэрогеля низкой плотности (99% которого — космос), плотность которого составляет около 1/1000 плотности стекла. Это позволяет собирать кометные частицы, не повреждая их из-за высоких скоростей удара. Столкновения частиц даже с слегка пористыми твердыми коллекторами могут привести к разрушению этих частиц и повреждению устройства для сбора. За время полета массив собрал как минимум семь частиц межзвездной пыли. [17]
В июне 2010 года зонд «Хаябуса » Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA) доставил на Землю образцы астероидов после встречи с астероидом S-типа 25143 Итокава (и приземления на него) . В ноябре 2010 года ученые агентства подтвердили, что, несмотря на неисправность устройства для отбора проб, зонд извлек микрограммы пыли с астероида, первого доставленного на Землю в первозданном состоянии. [18]
Российская миссия «Фобос-Грунт» была неудачной миссией по возврату образцов, предназначенной для возвращения образцов с Фобоса , одного из спутников Марса. Он был запущен 8 ноября 2011 года, но не смог покинуть околоземную орбиту и через несколько недель упал в южную часть Тихого океана. [19] [20]
Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) 3 декабря 2014 года запустило усовершенствованный космический зонд «Хаябуса-2». 27 июня 2018 года «Хаябуса-2» прибыл к околоземному астероиду C-типа 162173 Рюгу (ранее обозначавшемуся как 1999 JU 3 ) . обследовал астероид в течение полутора лет и взял образцы. Он покинул астероид в ноябре 2019 года [22] [23] и вернулся на Землю 6 декабря 2020 года. [24]
Миссия OSIRIS-REx была запущена в сентябре 2016 года с целью вернуть образцы с астероида 101955 Бенну . [25] [26] Ожидается, что образцы позволят ученым узнать больше о времени до рождения Солнечной системы, начальных этапах формирования планет и источнике органических соединений, которые привели к образованию жизни. [27] Он достиг близости к Бенну 3 декабря 2018 года, [28] где в течение следующих нескольких месяцев начал анализировать свою поверхность на предмет целевой области отбора проб. Он собрал свой образец 20 октября 2020 года [29] [30] и снова приземлился на Земле 24 сентября 2023 года, что сделало OSIRIS-REx пятой успешной миссией по возврату образцов для человечества по возврату образцов с внеземного тела. . [31] [32] [33] [34] Вскоре после того, как контейнер с образцом был извлечен и перенесен в «герметичную камеру Космического центра Джонсона в Хьюстоне, штат Техас», крышка контейнера была открыта. Ученые отметили, что при первом открытии они «обнаружили черную пыль и мусор на палубе авионики научного контейнера OSIRIS-REx». Позже было запланировано исследование. 11 октября 2023 года извлеченная капсула была открыта, чтобы впервые взглянуть на содержимое образца астероида. [35] [36] 13 декабря 2023 года было сообщено о дальнейших исследованиях возвращенного образца, в ходе которых были обнаружены органические молекулы , а также неизвестные материалы, которые требуют дополнительного изучения, чтобы лучше понять их состав и состав. [37] [38] 13 января 2024 года НАСА сообщило, что после трёх месяцев попыток НАСА наконец полностью открыло восстановленный контейнер с образцами с астероида Бенну. [39] [40] Общий вес извлеченного материала составил 121,6 г (4,29 унции), что в два раза превышает цель миссии. [41]
Китайское CNSA запустило миссии по возврату лунных образцов «Чанъэ-5» и «Чанъэ -6» 23 ноября 2020 года и 3 мая 2024 года соответственно, которые вернулись на Землю с 2 килограммами лунного грунта каждый 16 декабря 2020 года и 25 июня 2024 года соответственно. [42] Это были первые миссии по возврату образцов с Луны за более чем 40 лет. [43] Миссия «Чанъэ-6», приземлившаяся в кратерном бассейне Аполлона в южном полушарии обратной стороны Луны, была первой, получившей образцы с обратной стороны Луны , поскольку все предыдущие коллективные лунные образцы были собраны. с ближней стороны . [44]
CNSA планирует миссию под названием Tianwen -2 для возвращения образцов с 469219 Kamo'oalewa , запуск которой запланирован на 2025 год. [45] CNSA планирует осуществить миссию по возвращению образцов на Марс к 2030 году. разработка миссии по поиску образцов с Цереры , которая состоится в 2020-х годах. [48]
JAXA разрабатывает миссию MMX , миссию по возвращению образцов на Фобос , которая будет запущена в 2026 году. [49] MMX будет изучать оба спутника Марса , но посадка и сбор образцов будут на Фобосе. Этот выбор был сделан из-за наличия двух лун, орбиты Фобоса ближе к Марсу и на его поверхности могут быть частицы, выброшенные с Марса. Таким образом, образец может содержать материал самого Марса. [50] Ожидается, что двигательный модуль с образцом вернется на Землю в 2031 году. [49]
НАСА и ЕКА уже давно запланировали миссию по возврату образцов с Марса . [51] Марсоход Perseverance , запущенный в 2020 году, собирает образцы бурового керна и хранит их на поверхности Марса. [52] По состоянию на сентябрь 2023 года был собран один образец атмосферы, 8 образцов магматических пород, 11 образцов осадочных пород и пара образцов реголита. [53] Совместная миссия НАСА-ЕКА по их возвращению запланирована на начало тридцатых годов и будет состоять из спускаемого аппарата для извлечения образцов и поднятия их на орбиту, а также орбитального аппарата для возвращения их на Землю. [54] 22 ноября 2023 года сообщалось, что НАСА сократило миссию по возврату образцов на Марс из-за возможной нехватки средств. [55] В январе 2024 года предложенный план НАСА был оспорен из-за соображений бюджета и графика, а также был принят новый план капитального ремонта. [56]
Миссии по возврату образцов комет также продолжают оставаться приоритетом НАСА. Возвращение образцов с поверхности кометы было одной из шести тем предложений для четвертой миссии НАСА « Новые рубежи» в 2017 году. [57]
У России есть планы по возвращению образцов с Луны миссиями «Луна-Глоб» к 2027 году и миссией «Марс-Грунт» по возвращению образцов с Марса в конце 2020-х годов. [ нужна цитата ]
Методы возврата проб включают, помимо прочего, следующее:
Массив коллекторов можно использовать для сбора миллионов или миллиардов атомов, молекул и мелких частиц с использованием пластин, изготовленных из различных элементов. Молекулярная структура этих пластин позволяет собирать частицы различного размера. Массивы коллекторов, подобные тем, что использовались на Genesis , являются сверхчистыми, что обеспечивает максимальную эффективность сбора, долговечность и аналитическую различимость.
Массивы коллекторов полезны для сбора крошечных, быстро движущихся атомов, таких как те, которые выбрасываются Солнцем через солнечный ветер, но также могут использоваться для сбора более крупных частиц, например, найденных в коме кометы. Космический корабль НАСА, известный как «Звездная пыль», реализовал эту технику. Однако из-за высоких скоростей и размера частиц, составляющих кому и прилегающую территорию, плотная массив твердотельных коллекторов оказалась нежизнеспособной. В результате пришлось разработать другие средства сбора проб, чтобы сохранить безопасность космического корабля и самих образцов.
Аэрогель представляет собой пористое твердое вещество на основе диоксида кремния с губчатой структурой, 99,8% объема которого составляет пустое пространство. Аэрогель имеет плотность около 1/1000 плотности стекла. В космическом корабле Stardust использовался аэрогель, поскольку частицы пыли, которые космический корабль должен был собрать, имели скорость удара около 6 км/с. Столкновение с плотным твердым телом на такой скорости может изменить их химический состав или полностью испарить. [58]
Поскольку аэрогель в основном прозрачен, а частицы оставляют после проникновения на поверхность путь в форме морковки, ученые могут легко их найти и извлечь. Поскольку его поры имеют нанометровый размер, частицы, даже размером меньше песчинки, не просто полностью проходят через аэрогель. Вместо этого они замедляются до остановки, а затем внедряются в него. Космический корабль Stardust имеет коллектор в форме теннисной ракетки с прикрепленным к нему аэрогелем. Коллектор убирается в капсулу для безопасного хранения и доставки обратно на Землю. Аэргель достаточно прочен и легко выдерживает как запуск, так и космическую среду. [58]
Некоторые из самых рискованных и сложных типов миссий по возврату проб — это те, которые требуют посадки на внеземное тело, такое как астероид, луна или планета. Даже реализация таких планов требует много времени, денег и технических возможностей. Это трудная задача, требующая, чтобы все, от запуска до приземления, возвращения и запуска обратно на Землю, было спланировано с высокой точностью и аккуратностью.
Этот тип возврата образцов, хотя и сопряжен с наибольшим риском, является наиболее полезным для планетарной науки. Кроме того, такие миссии несут в себе большой потенциал для привлечения внимания общественности, что является важным атрибутом освоения космоса , когда речь идет об общественной поддержке. Единственными успешными роботизированными миссиями по возврату образцов этого типа были советские посадочные аппараты «Луна» и китайский «Чанъэ» . В то время как другие миссии собирали материалы с астероидов различными способами, они делали это без «приземления», учитывая их очень низкую гравитацию.
Цветовой ключ:
С Луны возвращено в общей сложности 382 килограмма лунного материала, включающего 2200 отдельных экземпляров...